Перша у світі квантова батарея змінила звичні правила зарядки.

Звичайні батареї підпорядковуються простому принципу: чим більший обсяг, тим довший час потрібен для заряджання. Проте квантова батарея руйнує цей стереотип, демонструючи протилежний ефект — чим більша, тим швидше вона заряджається. У новому дослідженні, опублікованому в журналі Light: Science & Applications, науковці з CSIRO, RMIT University та Університету Мельбурна представили перший у світі працюючий прототип квантової батареї. Цей інноваційний пристрій заряджається, накопичує та віддає енергію, спираючись на принципи квантової фізики, а не хімії. Це відкриття може кардинально змінити підходи до зарядки смартфонів і живлення квантових комп'ютерів.

Квантова батарея -- пристрій, що зберігає енергію, використовуючи явища квантової механіки: суперпозицію та заплутаність. Замість хімічних реакцій між електродами -- квантові взаємодії між електронами і фотонами світла.

Звичайна літій-іонна батарея заряджається поступово, переносивши іони молекула за молекулою. Натомість, квантова батарея здатна зарядитися миттєво, якщо всі її елементи опиняться в єдиному квантовому стані, що називається суперпоглинанням. Уявіть собі, що тисячі людей відкривають двері не по черзі, а одночасно, здійснюючи один спільний рух. Саме так енергія лазера "проникає" в квантову батарею моментально.

Прототип, створений командою під керівництвом доктора Джеймса Квача з CSIRO, являє собою багатошарову органічну мікропорожнину, яка має розміри всього кілька нанометрів. Між двома відбивними шарами з срібла розташовані два активні матеріали. Перший з них, барвник родамін, ефективно поглинає світло і передає отриману енергію другому матеріалу. Другий шар, паладієвий тетрафенілпорфірин, утримує цю енергію у "темних триплетних станах", які мають низьку здатність до випромінювання, що дозволяє зарядові зберігатись значно довше.

Для верифікації функціонування прототипу науковці використали неперевершені ресурси Лабораторії ультрашвидкого лазера Університету Мельбурна, обладнану двома фемтосекундними лазерними підсилювачами. Вони виявили, що батарея не лише заряджається, але й здатна зберігати заряд у мільйон разів довше, ніж тривала сама процедура заряджання.

"У нашому дослідженні ми виявили основний квантовий ефект, який є цілком несподіваним: чим більші квантові батареї, тим швидше вони заряджаються," -- підкреслив доктор Квач. "Такі батареї в наш час функціонують зовсім інакше."

Основним досягненням цього дослідження є реалізація повного циклу: зарядка, зберігання та розрядка. Раніше квантові прототипи показували лише окремі етапи цього процесу. У цьому випадку вперше в одному пристрої були підтверджені всі три стадії.

Паралельно CSIRO та Університет Квінсленда опублікували теоретичне дослідження в Physical Review X, що показало: квантові батареї, інтегровані в квантові комп'ютери, здатні учетверити кількість кубітів при одночасному скороченні потреби в охолодженні. Для квантових обчислень -- де зберігання енергії на наноскалі є критичним завданням -- це може стати революцією.

На фоні розвитку квантових комп'ютерів та реалізації квантових ефектів при кімнатній температурі, квантова батарея стає частиною нової технологічної екосистеми, яка поступово переходить з теорії в практичні лабораторні прототипи.

Головна обіцянка квантових батарей -- це не просто "швидша зарядка". Це принципово інша архітектура зберігання енергії, що може:

"Моє кінцеве прагнення -- майбутнє, де ми можемо заряджати електромобілі значно швидше, ніж заправляти бензинові, або заряджати пристрої на великих відстанях бездротово", -- заявив доктор Квач.

Актуальна проблема: тривалість зберігання заряду – мікросекунди. Для промислових потреб необхідні більш тривалі інтервали: секунди, хвилини або навіть години. Проте темпи розвитку технологій вражають: до 2025 року команда зуміла збільшити цей час у тисячу разів – від наносекунд до мікросекунд. Квантова фізика вже довела, що вона сповнена несподіванок, і, можливо, наступний прорив буде ще значнішим.